EDITIE 33, SEPTEMBER 2017

Soldeerverbindingen analyseren tot op
tienden van een micrometer

Ampleon ontwikkelt en produceert HF-vermogenshalfgeleiders. Omdat deze power transistoren werken bij hele hoge vermogens en frequenties ontwikkelen ze veel warmte, die moet worden afgevoerd via soldeer- en andere verbindingen met de verpakking van deze chips. Om te kunnen analyseren hoe deze verbindingen zich houden en waar het fout kan gaan is in samenwerking met Verder-Scientific een laboratorium ingericht, waar hele speciale monstervoorbereiding plaatsvindt.

Fietsenmakerswerk. Dat is de prikkelende typering van Bert Otterloo voor het assemblageproces van een kale IC tot een elektronicacomponent. “Het proces dat daaraan vooraf gaat –het fabriceren van IC’s in wafer fab’s– komt heel nauw tot op de nanometer en gebeurt aan de hand van nauwgezet gecontroleerde, veelal chemische processen. In vergelijking daarmee is het assembleren, het in elkaar zetten van de component, een veel minder goed gecontroleerd proces. Dat is in veel gevallen niet echt een probleem, maar door de steeds hogere prestaties die de chips leveren zien we dat het er bij die assemblage ook steeds nauwer op aankomt. Waardoor je ook deze processen strakker moet inrichten”, aldus de Failure Analysis Engineer bij het in Nijmegen gevestigde Ampleon. Juist bij een bedrijf als Ampleon is er binnen het productieproces extra focus op assemblage. Dat heeft alles te maken met het soort producten dat er wordt ontwikkeld en geproduceerd: HF-vermogenshalfgeleiders, ook wel power transistoren genoemd.

Esmeralda Peelen haalt met een door Verder-Scientific geleverde polijstmachine net zo lang minuscule laagjes van een elektronicacomponent af tot ze bij het gedeelte komt dat voor failure analysis onder een elektronenmicroscoop wordt bekeken.

Een transistor is een elektronicacomponent die zelf geen stroom of spanning kan opwekken, maar die wel kan versterken. Als je hele rijen van die transistors parallel schakelt kan je komen tot hoge vermogens en hoge frequenties (HF). Op basis daarvan heeft Ampleon producten en oplossingen op de markt voor met name zenders voor mobiele communicatie (cellulaire basisstations), maar ook voor zenders op het gebied van radio/tv, radar en luchtverkeersleiding. Andere markten zijn koken (magnetrons), verlichting, industriële lasers en medische instrumenten.

 

Dealen met warmte

De uitdaging bij deze HF-componenten is dat ze heel veel warmte genereren. Het is dus zaak om die warmte netjes af te voeren, zodat de component niet beschadigd raakt. Een essentiële rol in die warmtedissipatie is weggelegd voor de behuizing van dat IC. Een chip is altijd verpakt in een soort van behuizing, waarbij er tussen chip en behuizing verbindingen zijn die zorgen voor de overdracht van de elektrische signalen en ook de warmte geleiden. Die verbindingen kunnen minuscule, dunne pootjes zijn en/of soldeerverbindingen. “In de regel is de functie van een behuizing vooral mechanische bescherming, maar bij ons is die ook essentieel voor de betrouwbare werking van de transistors. Als een soldeerver- ➞ binding niet helemaal goed is, kan de warmteweerstand zomaar een factor twee groter worden en dan wordt de component te heet en gaat stuk. De die –het actieve stuk– en de behuizing, die hierbij fungeert als een zogenaamde heatsink, moeten dus optimaal op elkaar zijn afgestemd”, stelt Jan Buurman, collega van Bert in het Failure Analyis Laboratorium.

 

Failure analysis

Het ontwerp en de ontwikkeling van nieuwe componenten vindt plaats in Nijmegen. Hier zijn ook faciliteiten voor het maken van prototypes. Die prototypes worden vervolgens onderworpen aan zogenaamde vrijgave testen. Hierbij wordt de component blootgesteld aan stressoren zoals hoge temperaturen en vochtigheid, een testregime dat voorspelt hoe de component zich gedurende een periode van tien tot twintig jaar in het veld zal gedragen.

 

Bert Otterloo, Failure Analysis Engineer bij Ampleon,

 bij de elektronenmicroscoop waarmee soldeerverbindingen

tot op nanometerniveau kunnen worden geanalyseerd.

Dit lijkt voor elektronicacomponenten een wel erg lange periode, vooral als je daar vanuit je consumentenervaringen van het iedere twee jaar vervangen van je mobiele telefoon naar kijkt. “In de professionele markten waarin wij opereren gelden andere eisen. De zenders zijn vaak op moeilijk toegankelijke plekken opgesteld, waardoor vervanging van de componenten een kostbaar proces is; dat wil je niet iedere twee jaar willen doen. Bovendien hebben we het in ons geval niet over componenten van een paar dollar, maar moet je aan 100 dollar of meer denken”, vertelt Bert Otterloo.

Na het doorlopen van de testcyclus vinden er allerlei elektrische en thermische testen plaats op de component. Zijn die goed, dan zal er zeker in het geval van vrijgaves voor verdere doorontwikkeling en in productie nemen, geen aanvullend testwerk nodig zijn. Gaat het echter niet goed, of wil R&D in een bepaald ontwikkelstadium een gedetailleerd beeld hebben van de component, dan wordt het Failure Analyis Laboratorium ingeschakeld.

 

Detailopname van een crack in een goud-tin

soldeerverbinding na langdurig cycle testen.

Daar worden aan de hand van microscopische technieken (licht- en elektronenmicroscopie) tot op nanometerniveau de details rond bijvoorbeeld aansluitingen en soldeerverbindingen onderzocht. Met de informatie over wat er mis is gegaan, en waar precies, kan ook de oorzaak van de failure worden achterhaald. Die kan bijvoorbeeld in het ontwerp van de component zitten (materiaalkeuzes), bepaalde procesinstellingen (waardoor de hechting van draden minder goed is of er belletjes in het soldeermateriaal zitten) of de inwerking van vocht en/of vervuiling.

 

Zagen en slijpen

De eerste stap in de failure analysis is het deksel van de component eraf halen. Je ziet dan met het blote oog de IC’s met de transistoren en nog wat andere kleinere componentjes die nodig zijn om de impedantie te reguleren. Als je dat geheel onder de lichtmicroscoop bekijkt, zie je ook de metalen verbindingsdraadjes die eventueel los kunnen zitten. In dit stadium kan ook een speciale test worden gedaan op de parallel geschakelde transistoren, die met elkaar de power transistor vormen. Als er bij één van die transistoren wat spanning lekt, dan kan hij lokaal iets warmer worden, wat niet goed is voor de component. Een speciale test, die bij een partnerbedrijf wordt uitgevoerd, laat precies zien waar dat gebeurt. Bij de laatste stap in het testproces blijft er niet veel over van de component. Doel is namelijk om met een elektronenmicroscoop naar een specifieke dwarsdoorsnede te kijken. Om precies op het gewenste stukje te komen, met een nauwkeurigheid van enkele tientallen nanometers, hebben de analisten een heel arsenaal aan materiaalbewerkingstechnieken ter beschikking. Het begint nog eenvoudig met het doorzagen van de component tot een veilige marge boven het doeloppervlak. Vervolgens wordt het stukje dat over is met klemmetjes gefixeerd en ingebed in een blokje kunststof, dat overnacht uithardt. De volgende dag begint analist Esmeralda Peelen met het echte precisiewerk. “Met behulp van papieren schijven, waarin hele kleine diamantjes zijn verwerkt, slijp ik heel voorzichtig een stukje weg. Ik begin met relatief grof papier. Maar hoe dichter ik bij het doel kom –wat ik regelmatig check met de microscoop– , des te fijner papier ik gebruik. Voor de laatste stappen, tot slechts 30 nm, gebruik ik hele fijne doeken waarin ook weer een diamantsuspensie is verwerkt. Feitelijk poets je de schade die je met de ene grofheid hebt gemaakt weer weg met een mindere grofheid, zodat je een optimaal oppervlak hebt om er met de SEM bij een 100.000 tot 200.000 keer vergroting naar te kijken. Dat lijkt soms een eindeloos proces, dat ook steeds spannender wordt: je wilt zo dicht mogelijk bij je doel komen, maar ga je iets te ver, dan is het oppervlak dat je wilt bekijken weg en kan je opnieuw beginnen. Vandaar dat we hier heel veel tijd in stoppen: vier cross-secties op een dag is wel zo’n beetje het maximum haalbare.”

Extra uitdaging is om bij dit polijsten tot een recht oppervlak te komen. “Binnen de dimensies waar wij naar kijken is een afwijking in hoogte van enkele nanometers al snel een bolling. Die bolling kan worden veroorzaakt omdat het materiaal bestaat uit elementen met verschillende hardheden, waardoor je het ene stukje net iets verder weghaalt dan het andere; iets wat je vooral aan de randen merkt. Als je een soldeerverbinding nader wilt bekijken is dat niet zo’n ramp, maar wil je de contactpunten van een hele rij van verbindingsdraden, allemaal dunner dan een mensenhaar, onder de loep nemen dan moet recht ook tot in de nanometers recht zijn. Om dat te realiseren hebben we een methode ontwikkeld waarbij we polijsten met speciale kunststof folies –ook weer in verschillende gradaties– op een glasplaat. Die zijn erg dun en die plak je als het ware op het oppervlak van het testobject. Vanwege het glas aan de andere kant blijft het oppervlak mooi recht en rondt het niet af”, legt Jan Buurman uit.

Verder-Scientific heeft niet alleen de apparatuur,

maar de verdere infrastructuur van het Failure Analysis laboratorium

geleverd.

 

Het grove werk gebeurt met deze ook door

Verder-Scientific geleverde zaaginstallatie,

bediend door Jan Buurman.

 

Apparatuur en meubilair

De specialistische monstervoorbewerking vindt plaats met zaag- en slijpapparatuur van Verder-Scientific. “Dit is zeer degelijke, robuust uitgevoerde apparatuur waar we dit precisiewerk uitstekend mee kunnen doen. Het mooie is in dit geval dat Verder-Scientific ook voor de verdere infrastructuur van dit dedicated laboratorium heeft gezorgd. Degelijke aluminium tafels, goede verlichting boven de werkplekken, een handig opbergsysteem waar we al onze hulpmiddelen voor het slijpen en polijsten overzichtelijk in kunnen bewaren. Ook is nagedacht over de afvalstromen. Als je zo’n blokje slijpt gaat er al snel een centimeter aan kunststof je gootsteen in. Door voor de afvoer een bezinkbak met een filterdoek te plaatsen haal je dat afval er eenvoudig uit. Wat dat betreft zijn we optimaal uitgerust om onze collega’s van R&D te helpen om de producten en assemblageprocessen nog verder te verbeteren”, aldus Bert Otterloo.

 

Verder-Scientific

www.verder-scientific.com

 

Ampleon

www.ampleon.com

 

Ampleon

Ampleon bestaat pas sinds 2015, maar heeft een kennisinfrastructuur op het gebied van HF-vermogenshalfgeleiders die al meer dan 50 jaar toonaangevend is in de wereld. Dat begon met Philips, dat in 2006 zijn halfgeleiderdivisie onderbracht in NXP Semiconductors. Deze chipfabrikant nam in 2015 concurrent Freescale over. Omdat beide bedrijven een gezamenlijk marktaandeel van 80 tot 90 % hadden op het gebied van signaalversterkers voor mobiele zendmasten, moest NXP deze activiteiten verkopen om een eventuele blokkade van de transactie door mededingingsautoriteiten te vermijden.

Het Chinese investeringsbedrijf Jianguang Asset Management nam de HF-activiteiten over, die sindsdien worden voortgezet onder de naam Ampleon. Ampleon heeft op de hoofdvestiging in Nijmegen zo’n 300 mensen aan het werk in met name R&D en management, marketing & sales. In de vestiging op de Filipijnen vindt de assemblage plaats. De productie van de IC’s, die tot nu toe nog plaatsvindt bij NXP, wordt binnen afzienbare termijn ondergebracht bij een foundry in Taiwan.

 

Van Si naar GaN: nieuwe uitdagingen

Waar halfgeleiders altijd van Si werden gemaakt, is sinds een jaar of tien GaN als halfgeleidermateriaal sterk in opkomst. Dat zit op SiC-kristallen en die combinatie maakt een hogere ‘figure of merit’, een hoger product van vermogen en frequentie mogelijk. Ideaal dus voor de HF-transistoren van Ampleon, waarvan er enkele inmiddels op GaN-basis op de markt zijn. Deze enorme stap in technologie-ontwikkeling heeft echter ook consequenties voor de assemblage van de component. Je kunt namelijk wat je halfgeleiderkristallen betreft wel naar hogere temperaturen gaan, van 175 °C nu, naar 250 tot 300 °C. Maar dat heeft ook effecten op de metallisatie. Stelregel is dat bij een temperatuur van meer dan de helft tot tweederde van de smelttemperatuur in K allerlei versnelde diffusies optreden en metalen zich anders gaan gedragen dan je gewend bent. Dan is het bijvoorbeeld veel lastiger om een goede verbinding met de metaaldraadjes in stand te houden.

Werken met heel nieuwe technologieën kan ook betekenen dat er effecten optreden, die je met je teststramien van hoge temperatuur en hoge vochtigheid niet aan het licht kunt brengen. “GaN is een piëzo-elektrisch materiaal. Dat wil zeggen dat als je er een kracht op uitoefent er spanning over komt te staan, en als je er spanning op zet er een mechanisch effect is. Die materialen hebben er dus last van als er een enorme sterke elektrische velden op komen te staan: er ontstaat iets van beweging, dat kan uitmonden in breuken. Dat zijn nieuwe dingen, die je in de praktijk moet ervaren en waar je op basis van onze testresultaten van kan leren. Op die manier kan je daar in een nieuw ontwerp rekening mee houden”, vertelt Bert Otterloo. “En”, gaat hij verder, “In het GaN zit een laagje van AlGaN. Dat is vochtgevoelig, want het aluminium kan hydrolyseren. Dat weten wij chemici wel, maar daar zijn elektronici zich veel minder van bewust. Dan moeten ze dus iets verzinnen om dat vocht 20 jaar lang buiten te houden...”

KENNISPLATFORM VOOR LABORATORIA